JP2018060701A - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性能を高めたヒートシンク及び小型化と軽量化を図ることができるＬＥＤ照明装置を提供する。【解決手段】ＬＥＤ照明装置１は、筐体１８内に、ＬＥＤパッケージ８が実装されているＬＥＤ基板３と、ＬＥＤ基板３を収容する凹部２９を備えた基台４と、ヒートシンク５と、冷却ファン６とを配置して構成される。ヒートシンク５は、基台４の凹部２９の形成面とは反対の面と熱的に接続される矩形状の平板１５と、平板１５の基台４と熱的に接続される面とは反対の放熱面上に配置されて、両端が平板１５の対向する一組の辺からそれぞれ外方へ突出するよう設けられたリブ状の複数の放熱フィン１６とを有する。基台４は、放熱フィン１６と組み合わせたとき、放熱フィン１６の平板１５の辺から突出している部分が露出する形状に構成されて、冷却ファン６は、筐体１８においてＬＥＤパッケージ８が照光する側の面から空気を取り込み、放熱フィン１６の両端を通過して筐体１８の外へ抜け出る空気通路２１を形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートシンク及び冷却ファンを備えたＬＥＤ照明装置に関する。

従来から、高効率でかつ長寿命であるＬＥＤ素子を用いた照明装置が種々実用化されている。しかし、ＬＥＤ素子を用いた照明装置は、本体ケース内がＬＥＤ素子から発生する熱により高温となると、ＬＥＤの発光効率が悪くなり照明装置の光出力が低下し、またＬＥＤ素子の寿命も短くなるといった問題がある。

そのため、ＬＥＤ照明装置では、ＬＥＤ素子を冷却するのに、ＬＥＤ素子を実装した基板の裏側に複数のフィンを設けて冷却を行う方法が一般的に採用されている（例えば、特許文献１を参照）。また、ファン装置を用いて冷却を行うＬＥＤ照明装置も知られている（例えば、特許文献２を参照）。

特開２００７−４２７５５号公報 特開２０１１−１６５３５１号公報

ところで、ＬＥＤ素子を用いた多様な照明装置の中でも、人が着用している眼鏡やヘッドバンド等の着用物や衣服に装着して使用する小型化されたＬＥＤ照明装置が知られている。このような照明装置は、例えば、人の頭部に装着したとき、顔を向ける方向とライトの照射方向とが一致するため人の視線方向に沿って照明可能なことから、作業する手元をスポット的に照明する用途に最適な照明装置となっている。

しかし、小型化されたＬＥＤ照明装置では、全体の表面積が小さいため放熱量が少ない。そこで、特許文献１のＬＥＤ照明装置のように、ＬＥＤ素子を実装した基板の裏側に複数のフィンを設けて、これらのフィンを照明装置の筐体に形成した溝部と嵌合させて組み合わせることで基板と筐体との接触面積を大きくさせようとしても、基板や筐体のサイズは限られているために高い放熱効果は得られない。

特許文献２のＬＥＤ照明装置のように、ファンを用いて外部から空気を導入してＬＥＤ素子へ空気を流す空気流路を照光部内に形成すると、照光部内の気密性が損なわれるため、ケース内に侵入する埃や水蒸気で照度が低下する。

上記点より本発明は、照光部の密閉性を保持したままで冷却ファンによりＬＥＤ素子を効率良く冷却することのできるＬＥＤ照明装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るＬＥＤ照明装置は、筐体内に、ＬＥＤパッケージが実装されているＬＥＤ基板と、前記ＬＥＤ基板を収容する凹部を備えた基台と、ヒートシンクと、冷却ファンとを配置し、前記ヒートシンクは、前記基台の前記凹部の形成面とは反対側の面と熱的に接続される矩形状の平板と、前記平板の前記基台と熱的に接続される面とは反対側の放熱面上に配置されて、両端が前記平板の対向する一組の辺からそれぞれ外方へ突出するよう設けられたリブ状の複数の放熱フィンと、で構成されて、前記基台は、前記放熱面上に前記放熱フィンが配置されたとき、前記放熱フィンの前記平板から突出している部分が露出する形状に構成されて、前記冷却ファンは、前記冷却ファンは、前記筐体の前記ＬＥＤパッケージが照光する側の面から空気を取り込み、前記放熱フィンの両端を通過して前記筐体の外へ抜け出る空気通路を形成することを特徴とする。

この場合に、前記冷却ファンの回転径を前記放熱フィンの直線方向での寸法と略等しくすることで、放熱ファンが取り込む空気は軸方向にヒートシンクに当たるため効率的な熱交換が行われる。

更に、前記放熱フィンの両端がそれぞれ突出している前記平板の対向する一組の辺以外の辺の端部には、前記放熱フィンと略同じ寸法で外方に突出する複数の第２放熱フィンを設けて、前記基台は前記第２放熱フィンが露出する形状に構成とすることで、放熱効率が向上する。

また、前記ＬＥＤ基板は、前記照光部内の空気が前記基台と直接接触できるよう透過孔を設けることで、基台への熱伝導性が高まる

本発明によるＬＥＤ照明装置に依れば、ヒートシンクは平板でＬＥＤ基板と面接触して熱を吸収すると共に、吸収された熱は放熱フィンの端部に拡散されて、冷却ファンから取り込まれる空気と熱交換されることで、効率良く排出される。

本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置の側面図を示す。 本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置において、（ａ）はＬＥＤ基板の表面の構成を平面図で示し、（ｂ）は裏面の構成を斜視図で示す。 ＬＥＤ基板とヒートシンクとが組み込まれた状態における基台の前面を平面図で示す。 ヒートシンクの放熱面を平面図で示す。 ＬＥＤ基板とヒートシンクとが組み込まれた状態における基台の側面図を示す。 照明部が装着された据付部材を筐体に取り付けた状態の説明図を示す。 本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置において、ＬＥＤ基板と基台とヒートシンクと冷却ファンとリアカバーの組立図を示す。 基台とヒートシンクと冷却ファンとリアカバーとをリアカバーの外側から見たときの平面図を示す。 ＬＥＤ基板からの熱がヒートシンクに吸収されて、冷却ファンが取り込む空気で排熱される説明図を示す。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係わるＬＥＤ照明装置１の外観を側面図で示し、本体部１Ａと、円錐台形状の筒の中にＬＥＤパッケージ８を収納している照光部１Ｂとから構成される。

本体部１Ａは、四角柱の筒状の筐体１８の内部に、ＬＥＤ基板３と、基台４と、ヒートシンク５と、冷却ファン６と、照光部１Ｂを装着するための据付部材７とを配置して構成されている。そして、筐体１８の冷却ファン６側の開口面には空気排出口１３ａが形成されているリアカバー１３が取り付けられている。

ＬＥＤ基板３は、熱伝導性の高い樹脂又は金属（合金を含む）から構成され、図２（ａ）は、ＬＥＤ基板３の照光部１Ｂ側の面（以下、この方向の面を「前面」という）を平面図で示し、図２（ｂ）は、その裏側の面（以下、この方向の面を「後面」という）を斜視図で示している。ＬＥＤ基板３の前面には、ＬＥＤチップ８Ａ及びドライバを含むＬＥＤパッケージ８を搭載したモジュールが接着剤によって実装されている。この接着剤には、熱伝導性に優れたシリコーン系接着剤が使用される。

そして、ＬＥＤ基板３には、取付用のビス孔１０と、複数の小径の透過孔１１と、リード線導入口２５とが穿設されている。３通りのリード線導入口２５には、ＬＥＤパッケージ８に組込まれるＬＥＤチップとドライバのそれぞれへの給電線１２ａ，１２ｂと、共通のアース線１２ｃとがそれぞれ通される。

基台４は、ＬＥＤ基板３を保持すると共に、ヒートシンク５が装着される。この場合、基台４は、必ずしも熱伝導性の高い樹脂で形成されるべきものでもない。図３は、ＬＥＤ基板３とヒートシンク５とが組み込まれた状態における基台４の前面を平面図で示し、基台４は、中央部４Ａと、組み付け用のビスが貫通する孔２６が穿設されている装着部４Ｂとから構成されている。装着部４Ｂは、照光部１Ｂを装着する据付部材７と対向するよう、中央部４Ａの角から対角線方向に延び出た位置に設けられて、後面から軸方向に突出する形状となっている。

また、中央部４Ａの一辺には、外部から挿入されるハーネス１９の受入口２０が設けられている。ハーネス１９内の電線は、ＬＥＤパッケージ７への給電線、ファン装置２０への給電線及びアース線である。図示されていないがハーネス１９から引き出されたリード線は、冷却ファン６及びＬＥＤパッケージ８に接続される。

基台４の前面はＬＥＤ基板３との接触面であり、この面にはＬＥＤ基板３が収まる凹部２９（図７参照）が形成されている。そして、ＬＥＤ基板３は、放熱グリスを介在させてこの凹部２９の底面に密着させて、ビス孔１０を通してビス１４により基台４に固着されている。

ヒートシンク５は、伝導率の高いアルミニウム又はその合金製で構成され、図４で示すように、平板１５と、平板１５の対向する一組の辺に跨り、その両端がそれぞれ外方へ突出するよう設けられたリブ状の複数の放熱フィン１６と、平板１５のこの対向する一組の辺以外の辺の端部から外方に突出して形成される複数の放熱フィン１７とから構成される。リブ状の放熱フィン１６は、ビス孔１０からビス１４が基台４及びヒートシンク５を貫通する箇所では切り欠かれている。

また、放熱フィン１７は、放熱フィン１６が平板１５の辺から垂直に突出する寸法と略同じ寸法で外方に突出するよう形成されている。そして、板状に形成される放熱フィン１６，１７は、その面の部分が平板１５の平面とは直交する方向に設けられている。

図５は、基台４にヒートシンク５を組み合せた状態を側面図で示しており、組み合わせたとき、ヒートシンク５の平板１５から突出している放熱フィン１６の両端部及び放熱フィン１７は基台４からも露出している。

据付部材７の中央部は、図６に示すように、照光部１Ｂが嵌合により取り付けられる取付部７Ａとなっており、取付部７Ａの周辺部には、ヒートシンク５の平板１５から突出している放熱フィン１６の両端及び放熱フィン１７に対向する部分が切り欠かれて、空気取入口７Ｂが形成されている。そして、取付部７Ａの筐体１８の角部と接する３通りの隅部７Ｃには、軸方向に沿ったビス孔３０が穿設されている。このビス孔３０は、基台４の装着部４Ｂの貫通孔２６に連通している。

冷却ファン６は、図７に示すように、ブラシレスＤＣファンモータ２３によって駆動する羽根２４を備えて、羽根２４の回転により外からリアカバー１３の空気取入口７Ｂを通して、筐体１８の軸方向に空気を取り込み、ヒートシンク５に向けて吹き出す軸流型ファンである。冷却ファン６の回転径は、放熱フィン１６の直線方向での寸法と略等しくすることで、ヒートシンク５を全て覆っている。

そして、リアカバー１３は、図８に示すように冷却ファン６を支持して筐体１８内に固定する。この場合、照光部１Ｂが装着された据付部材７、ＬＥＤ基板３とヒートシンク５とが組み込まれた基台４、冷却ファン６を軸方向に重ねて筐体１８の内部に配置し、冷却ファン６の吸込み側にリアカバー１３を被せて、ビス２８によって締め付けてＬＥＤ照明装置１が完成する。筐体１８には、ＬＥＤ照明装置１の組み立て時に、基台４を収納するとき受入口２０の逃げ部となるスリット３１が形成されている。

上記構成によるＬＥＤ照明装置１の放熱作用について説明する。図９に示すように、照明時にＬＥＤパッケージ８に発生する熱はＬＥＤ基板３に実線で示す矢印方向に伝達される。ＬＥＤ基板３は基台４の前面に形成した凹部２９に密接して収容されており、ＬＥＤ基板３の熱は放熱グリスを介して基台４に排熱される。このとき、ＬＥＤ基板３を基台４に固着するビス１４も熱伝導に寄与する。

基台４は、ＬＥＤ基板３を凹部２９に収容していることで、ＬＥＤ基板３の熱を効果的に吸収し、ＬＥＤ基板３から照光部１Ｂ内への放熱量を少なくできる。また、照光部１Ｂ内の空気は、ＬＥＤ基板３に形成した透過孔１１を通して、基台４と熱交換を直接行っており、これによっても照光部１Ｂ内の温度上昇が抑えられている。

基台４に伝達された熱は、基台４の中央部４Ａからヒートシンク５の平板１５に伝達されて、放熱フィン１６，１７に拡散され、さらに放熱フィン１６，１７ではその外方に向けた端部に伝導される。そして、冷却ファン６は、モータ２３の駆動により、空気取入口７Ｂから軸方向に空気を取り込み、空気排出口１３ａから空気を排出する破線の矢印で示す空気通路２１を形成する。よって、放熱フィン１６，１７ではその外方に向けて放射状に拡散された熱は、冷却ファン６によって取り込まれた空気で冷却されることになる。このとき、放熱フィン１６の両端部と放熱フィン１７とは、平板１５の三辺からそれぞれ外方に向けて突出している基台４の辺からも露出しているために、冷却ファン６によって取り込まれる空気は、各放熱フィンどうしの面の間を通り流れが阻止されることなく排出される。

冷却ファン６がこのような空気通路２１を形成することで、ＬＥＤ基板３から基台４へと伝導された熱は、ヒートシンク５を通して取り込まれた空気との熱交換が効果的に行われ、空気排出口１３ａを通して外部に放出される。

この場合、冷却ファン６が形成する空気の流れを、空気排出口１３ａから取り込み、空気取入口７Ｂから排出する逆向きの経路も考えられるが、本発明で示すように空気取入口７Ｂから取り込み、空気排出口１３ａから排出する経路の方が、冷えた空気が照光部１Ｂの側面と熱交換しながら筐体１８内に取り込まれるために照光部１Ｂも効果的に冷却されて、放熱効率が略２０％程度高くなることが確かめられている。

そして、図示していないが、筐体１８において冷却ファン６の風洞を構成する側面の部分には複数のスリットを形成することで、空気は空気排出口１３ａとこのスリットからも排出されるために、空気の流量が多くなって、さらに放熱効果を向上させることができる。

上記の実施形態では、基台４の一つの辺にはハーネス１９の受入口２０を設けたことで、平板１５の三辺でしか放熱フィン１６，１７を設けていないが、受入口２０の配置によっては、基台４の四つの辺に対応して放熱フィンを突出させて設けることも可能である。

１ ＬＥＤ照明装置
３ ＬＥＤ基板
４ 基台
５ ヒートシンク
６ 冷却ファン
８ ＬＥＤパッケージ
１１ 透過孔
１５ 平板
１６ 第１の放熱フィン
１７ 第２の放熱フィン
１８ 筐体
２１ 空気通路
２９ 凹部

冷却ファン６は、図７に示すように、ブラシレスＤＣファンモータ２３によって駆動する羽根２４を備えて、羽根２４の回転により外から据付部材７の空気取入口７Ｂを通して、筐体１８の軸方向に空気を取り込み、ヒートシンク５に向けて吹き出す軸流型ファンである。冷却ファン６の回転径は、放熱フィン１６の直線方向での寸法と略等しくすることで、ヒートシンク５を全て覆っている。

Claims (4)

1. 筐体内に、ＬＥＤパッケージが実装されているＬＥＤ基板と、前記ＬＥＤ基板を収容する凹部を備えた基台と、ヒートシンクと、冷却ファンとを配置し、
   前記ヒートシンクは、
   前記基台の前記凹部の形成面とは反対側の面と熱的に接続される矩形状の平板と、
   前記平板の前記基台と熱的に接続される面とは反対側の放熱面上に配置されて、両端が前記平板の対向する一組の辺からそれぞれ外方へ突出するよう設けられたリブ状の複数の放熱フィンと、で構成されて、
   前記基台は、前記放熱面上に前記放熱フィンが配置されたとき、前記放熱フィンの前記平板から突出している部分が露出する形状に構成されて、
   前記冷却ファンは、前記筐体の前記ＬＥＤパッケージが照光する側の面から空気を取り込み、前記放熱フィンの両端を通過して前記筐体の外へ抜け出る空気通路を形成することを特徴とするＬＥＤ照明装置。
2. 前記冷却ファンの回転径を前記放熱フィンの直線方向での寸法と略等しくしたことを特徴とする請求項1に記載のＬＥＤ照明装置。
3. 前記放熱フィンの両端がそれぞれ突出している前記平板の対向する一組の辺以外の辺の端部には、前記放熱フィンと略同じ寸法で外方に突出する複数の第２放熱フィンを設けて、前記基台は前記第２放熱フィンが露出する形状に構成したことを特徴とする請求項1又は２に記載のＬＥＤ照明装置。
4. 前記ＬＥＤ基板は、前記照光部内の空気が前記基台に接触できるよう透過孔を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ照明装置。

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